2.2.1. Giới thiệu chung.
Qua phân tích tổng quan về các dạng năng lượng mới và tái tạo, tác giả luận văn chọn hướng nghiên cứu của đề tài tập trung vào dạng năng lượng thủy điện nhỏ áp dụng cho mạng điện cục bộ. Nhằm đưa ra một mô hình mạng điện nguồn điện khai thác từ NLTT có chất lượng cao nhờ thực hiện một số giải pháp về cấu trúc mạng và hệ điều khiển nhằm khắc phục một một số nhược điểm căn bản của thủy điện nhỏ.
Mạng điện cục bộ thủy điện nhỏ trong trường hợp này là một hệ thống điện riêng rẽ, chỉ có một nguồn cung cấp (công suất từ một vài chục đến một
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
vài ngàn kW), hoạt động có tính chất độc lập không kết nối lưới được mô tả như sơ đồ như hình 2.1.
PC1 Máy phát Tm Q Vf Turbine n S1=P1+jQ1 PC2 PC3 L12 L23 S2=P2+jQ2 S3=P3+jQ3
Nguồn phát Lưới điện và tải tiêu thụ
Hình 2.1. Mô tả mạng điện cục bộ thủy điện nhỏ.
Mô hình này đại diện cho một hình thức phát triển mạng điện trong đó điện năng được sản xuất theo công nghệ sạch,thích hợp đối với các khu vực miền núi xa xôi hẻo lánh mà việc đưa điện lưới quốc gia đến không thực hiện được bởi lý do về tính kinh tế hoặc về điều kiện địa hình địa lý không cho phép, mạng điện cục bộ trên cơ sở khai thác tiềm năng sẵn có trong điều kiện tự nhiên để cấp điện tại chỗ cho những cụm kinh tế địa phương, những công trường khai thác khoáng sản, phục vụ dân sinh V.V... sẽ mạng lại ý nghĩa to lớn cả về kinh tế và chính trị xã hội và hơn nữa là vấn đề bảo vệ môi trường. Từ sơ đồ hình 2.1 là cũng như các sơ đồ khác tương tự đều có thể biến đổi về cùng một dạng sơ đồ thay thế tối giản như hình 2.2. để thuận tiện cho việc nghiên cứu và áp đặt một cách tính toán chung.
Pti+jQti ĐC Li (km) PCCi Turbine MF 50Hz Q n P1+jQ1 PCC1
Hình 2.2. Sơ đồ thay thế của mạng điện cục bộ thủy điện nhỏ.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Một hộ phụ tải bất kỳ thứ i nào đó tại điểm kết nối PCCi cách nguồn bằng chiều dài đường dây là Li được phân tích thành hai thành phần, gồm:
+ Một động cơ không đồng bộ.
+ Phần còn lại được đặc trưng bằng một phụ tải tính toán Sti=Pti+jQti
Các phụ tải còn lại của mạng được quy đổi về đầu cực máy phát tại điểm PCC1, đặc trưng bằng một phụ tải tính toán tổng S1 =P1 +jQ1 .
2.2.2. Phân tích hoạt động của MĐCBTĐN.
Ưu điểm của thủy điện nhỏ:
-Tận dụng nguồn tài nguyên thiên nhiên là các dòng chảy nhỏ sẵn có ở các vùng núi. Đặc biệt, thủy điện nhỏ càng có ý nghĩa hơn đối với những khu vực xa trung tâm phát triển, không có điện lưới quốc gia.
-Bán kính truyền tải ngắn (không quá 10 km), tổn thất năng lượng trên mạng nhỏ nên hệ thống có tính kinh tế cao.
-Sản xuất điện theo công nghệ sạch, không phải di dân, xây dựng lòng hồ nên không xâm hại nhiều đến môi trường tự nhiên, không làm thay đổi tập quán sản xuất và bản sắc văn hóa địa phương trong khu vực.
-Phát triển thủy điện nhỏ đang được khuyến khích trên phạm vi toàn cầu.
Những vấn đề còn tồn tại
Xuất phát từ các điều kiện địa hình trên các địa bàn khu vực miền núi và đặc điểm của các dòng chảy đầu nguồn có lưu lượng nhỏ, các trạm thủy điện thường được xây dựng kiểu kênh dẫn, hình 2.3.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Hình 2.3. Cấu trúc cơ bản của trạm thủy điện nhỏ.
Công thức cơ bản tính công suất của một máy phát thủy điện: 3 .10 dm m P T m qh T Trong đó:
-Pđm là công suất định mức của máy phát điện [kW].
- là hiệu suất tổng cộng của các khâu biến đổi năng lượng: turbine, máy phát.
-q là lưu tốc của dòng nước qua turbine [m3/s]. -h là cột nước làm vệc của turbine [m].
-Tm là mô men cơ của turbine [Nm]. - là tốc độ quay của turbine [rad/s]. - = g = 9810.
Vấn đề điều chỉnh tăng hay giảm công suất vận hành được thực hiện thông qua điều chỉnh đại lượng q. Trong khi đó, đại lượng h được xem như có
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
giá trị hằng (ít thay đổi theo từng giờ). Đối với các thủy điện vừa và lớn, vấn đề điều chỉnh lưu lượng q để đáp ứng nhanh công suất chỉ phụ thuộc vào chất lượng của bộ điều khiển, nhưng với thủy điện nhỏ lại còn phụ thuộc cả vào điều kiện tự nhiên có cho phép hay không? Đặc biệt với thủy điện công suất nhỏ không có bể dự trữ áp lực, kênh dẫn dài, trong quá trình điều chỉnh lưu tốc q có nẩy sinh một số hạn chế:
Giới hạn trên của phạm vi điều chỉnh hẹp ( max dm
q
q 1,1).
Đặc tính điều chỉnh q để cân bằng công suất và ổn định tần số có thời gian trễ lớn. Xem hình 2.4, tại thời điểm 4s tăng công suất tiêu thụ, tốc độ máy phát giảm đột ngột tương ứng tần số lưới suy giảm nghiêm trọng và thời gian trễ kéo dài đến thời điểm 6s (sau 100 chu kỳ lưới) mới khôi phục được tần số định mức.
Hình 2.4. Đặc tính ổn định tần số theo tải.
Điều này dẫn đến hạn chế khả năng điều chỉnh công suất của máy phát cả về hai yếu tố là:
-Khả năng quá tải.
-Tốc độ huy động công suất đỉnh.
Trong khi đó, phụ tải luôn có những đòi hỏi về yêu cầu này: Giả thiết, có động cơ không đồng bộ hoạt động, chế độ khởi động của động cơ đòi hỏi công suất đỉnh lớn từ 5 đến 7 lần công suất định mức. Khi đó, mạng điện cục bộ thủy điện nhỏ bộc lộ một số vấn đề nhược điểm:
2 3 4 5 6 7 8 10 20 30 40 50 Time (s) T a n s o l u o i f (H z )
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
a) Nhược điểm thứ nhất: Máy phát không thể huy động kịp thời công
suất cho động cơ khởi động và nhất là khi hệ số mang tải của máy phát đang vận hành ở mức cao (Kpt 0,7).
b) Nhược điểm thứ hai: Quá trình khởi động động cơ bị kéo dài làm
giảm chất lượng điện năng cả về chỉ tiêu tần số và chỉ tiêu điện áp, thậm chí khởi động có thể không thành công, hoặc gây rã lưới.
Đứng trước vấn đề này, một số giải pháp thông thường có thể được nêu ra, nhưng để áp dụng với mạng cục bộ thủy điện nhỏ là không phù hợp. Ví dụ:
Biện pháp giảm thấp công suất vận hành máy phát ở mức Kpt = (0,6 0,7): Làm giảm tính kinh tế của hệ thống, không khai thác hiệu quả tiềm năng của thiên nhiên.
Sử dụng các thiết bị khởi động mềm riêng cho mỗi động cơ: Không kinh tế, hệ số tận dụng động cơ thấp.
Điều hành san tải: Quá trình sản xuất sẽ thụ động, không đáp ứng đòi hỏi của tải khách hàng.
Để nghiên cứu mang tính tổng quát về các tác động của phụ tải, dù là phụ tải đó kết nối với mạng điện tại một điểm bất kỳ PCCi nào đó (PCC1, PCC2, hay PCC3) và khả năng đáp ứng của nguồn thủy điện nhỏ, các lượng tổn thất điện áp và tổn thất công suất trong mạng ta khảo sát hoạt động của mạng điện thông qua một số trường hợp cụ thể sau.
Trường hợp thứ nhất:Máy phát vận hành đầy tải, Kpt 1 với các thông số tính toán như sau:
Các thông số suất định mức của máy phát:
SđmMF = 85kVA; Uđm = 400V; fđm =50Hz; IđmMF = 122,69A; cos đm =0,85 Các giá trị phụ tải được chọn theo giả thiết cho một trường hợp tiêu biểu:
Xét một xưởng cơ khí cuối đường dây Li có phụ tải tính toán là Spcc i, trong đó gồm:
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
- Một phụ tải tĩnh: St= (30+j10) kVA.
- Một phụ tải động: Động cơ 7,5 kW; cos đm =0,85; cos kđ =0,85. Các phụ tải khác trong mạng được quy đổi về đầu cực máy phát: S1 = (40+j15) kVA
Áp dụng lý thuyết tính toán mạng điện, các phép tính được thực hiện trong phần mềm Excel cho các kết quả trong bảng 2.1
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Nhận xét 1:
-Tổn thất điện áp trên đường dây Li lớn quá mức cho phép, U=11,99%. -Tổn thất công suất công suất trên đường dây Li lớn, P=11,18% làm cho các phụ tải cuối đường dây không nhận đủ công suất danh định.
-Khi động cơ khởi động:
+ Máy phát chịu dòng khởi động vượt quá định mức 55,39%. điều này hệ turbine–máy thủy điện nhỏ không có khả năng thực hiện được.
+ Sụt áp trên đường dây Li lớn, U=102,24V gây dao động điện áp ảnh hưởng chất lượng điện năng.
Trường hợp thứ hai:Hạ thấp công suất vận hành của máy phát, Kpt 0,66 với các thông số tính toán như sau:
Các thông số suất định mức của máy phát:
SđmMF = 85kVA; Uđm = 400V; fđm =50Hz; IđmMF = 122,69A; cos đm =0,85 Các giá trị phụ tải được chọn theo giả thiết cho một trường hợp tiêu biểu: Xét một xưởng cơ khí cuối đường dây Li có phụ tải tính toán là Spcci, trong đó gồm:
-Một phụ tải tĩnh: St= (30+j10) kVA.
-Một phụ tải động: Động cơ 7,5 kW; cos đm =0,85; cos kđ =0,85. Các phụ tải khác trong mạng được quy đổi về đầu cực máy phát: S1 = (10+j5) kVA
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Nhận xét 2:
Kết quả tính cho thấy: nếu vận hành máy phát 85 kVA với hệ số mang tải là Kpt = 66,18% thì khi động cơ 7,5 kW khởi động máy phát chịu quá tải vượt quá định mức 18,2% . Ở mức này hệ turbine–máy thủy điện nhỏ có thể đáp ứng được.
Như vậy, biện pháp này tuy giảm nhẹ áp lực quá tải cho máy phát, nhưng xét về tính kinh tế vận hành thì không chấp nhận được bởi hệ số mang tải quá thấp không khai thác hiệu quả công suất đặt của máy phát và lãng phí tài nguyên ứng dụng (nguồn thủy năng).
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Trong trường hợp này, ứng dụng hệ thống tích trữ năng lượng ăcquy (viết tắt là BESS)để khắc phục một số nhược điểm của Mạng điện cục bộ Thủy điện nhỏ (MĐCBTĐN) là một giải pháp hoàn toàn hợp lý.
2.2.3. Mô hình BESS trong mạng điện cục bộ thủy điện nhỏ.
Vai trò của BESS thể hiện ở chỗ, nếu tải có công suất đỉnh vượt công suất máy phát hay dòng chảy đỉnh của kênh dẫn, lúc này về bản chất, hệ thống mất cân bằng năng lượng vào-ra. Chính vì vậy, BESS đóng vai trò như một thiết bị bù (BEES) khôi phục trạng thái cân bằng. Kết quả nghiên cứu sẽ góp phần hiện thực hóa một phương án kỹ thuật khả thi cho mạng điện cục bộ thủy điện nhỏ: Sử dụng BESS ổn định chất lượng điện áp, san tải và bù công suất đỉnh cho MĐCBTĐN kiểu kênh dẫn.
Cấu trúc mạng điện cục bộ thủy điện nhỏ có BESS kết nối tại điểm PCC được chỉ ra trên hình 2.5. Pti+jQti ĐC Li (km) BESS PCCi Turbine MF 50Hz Q n P1+jQ1 PCC1
Hình 2.5. Mạng điện cục bộ thủy điện nhỏ có BESS.
Tiếp theo ta nghiên cứu về cấu trúc và hệ điều khiển BESS.
2.3. Hệ thống tích trữ năng lượng dùng acquy (BESS). 2.3.1. Giới thiệu chung. 2.3.1. Giới thiệu chung.
BESS (Battery Energy Storage System) là một thiết bị bù song song thuộc hệ FACTS (Flexible Alternating Current Transmission System) là hệ thống bao gồm các thiết bị tĩnh để sử dụng cho việc nâng cao khả năng điều
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
khiển hệ thống điện và tăng khả năng truyền tải công suất trên đường dây. Về cấu trúc, một BESS hoàn chỉnh cần phải có ba yếu tố chính là:
-Thiết bị điện tử công suất PCS (power conditioning system), trong trường hợp này sử dụng bộ biến đổi công suất hai chiều (đôi khi gọi là biến tần 4Q), cụ thể hơn là bộ chỉnh lưu PWM cầu ba pha IGBT-Diode;
-Kho tích trữ năng lượng dùng ác quy. Những trường hợp khác có thể dùng siêu tụ hay kho từ bằng các cuộn cảm siêu dẫn…
-Hệ điều khiển cho quá trình tích cũng như phóng năng lượng theo các kịch bản thiết kế.
Chi tiết một cấu trúc mạch lực BESS được mô tả trên hình 2.6.
T1 D1 T3 D3 T5 D5 D2 T2 D6 T6 D4 T4 L R2 V c2 c1 - + a b c R1
Hình 2.6. Cấu trúc mạch lực của BESS.
2.3.2. Bộ biến đổi công suất.
Việc lựa chọn bộ biến đổi công suất để ứng dụng cho hệ thống BESS là một vấn đề quan trọng đảm bảo chất lượng điện năng cho lưới điện, một cách lựa chọn đơn giản có thể sử dụng hai bộ cầu thyristor mắc song song ngược. Tuy nhiên hệ thống này đã thể hiện nhiều nhược điểm như khả năng chịu tần số đóng cắt thấp do đó không thể ứng dụng các phương pháp điều chế độ rộng xung tần số cao, phát sinh nhiều sóng hài, tồn tại dòng cân bằng… Vì vậy, trên hình 2.6 bộ biến đổi công suất sử dụng cầu ba pha IGBT là giải pháp tốt nhất.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Trong đó, cấu tạo nguyên lý làm việc phần tử bán dẫn IGBT được phân tích:
Transistor có cực điều khiển cách ly IGBT:
IGBT (trasistor có cực điều khiển cách ly) là phần tử kết hợp đóng cắt nhanh của MOSFET và khả năng chịu tải lớn của transistor thường. Điều khiển van IGBT thực hiện điều khiển theo điện áp.
C E E G i1 i2 G C E Cực điều khiển G n p n n p n n+ p Emitor E Conetor C n p n n n p n+ p i2 c) d) a) b)
Hình 2.7. Cấu trúc và ký hiệu IGBT.
a) cấu trúc bán dẫn, b) cấu trúc tương đương với một transistor npn và một MOSFET, c) Sơ đồ tương đương, d) ký hiệu.
Hình 2.7 giới thiệu cấu trúc van IGBT, cấu trúc tương đương và ký hiệu IGBT. Đây là một van IGBT kiểu nghịch loại n-p-n-p. Trong đó, G là cực điều khiển được cách ly hoàn toàn với cấu trúc lớp bán dẫn còn lại bằng một lớp điện môi rất mỏng và có độ cách điện lớn đioxit-silic (SiO2), E là cực Emitơ cực này có cấu trúc bán dẫn loại n, C cực colecter có cấu trúc lớp bán dẫn loại p.Giữa các lớp bán dẫn hình thành tiếp giáp JGE và JGC, khi có điện trường giữa các điện cực sẽ xuất hiện điện tích trái dấu tạo nên các tụ ký sinh CGE và CGC tại đó, làm ảnh hưởng tới quá trình đóng, mở van.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ Nguyên lý đóng, mở IGBT: Udc + - UG + - RG Cgc Cge T D D0 I0
Hình 2.8. Sơ đồ thử nghiệm IGBT.
Để thấy được nguyên lý đóng, mở một van IGBT khảo sát sơ đồ đơn giản như hình 2.8. Điốt Do được mắc song song với Tải điện cảm L nhằm mục đích bảo vệ quá sức điện động cho van trong quá trình khoá van.Điốt D được mắc song song với van IGBT với mục đích bảo vệ và tăng khả năng mở, cũng như khoá van bằng cách tạo đường phóng cho các tụ ký sinh trong thời gian ngắn.Udc là nguồn một chiều cung cấp cho tải và điện áp giữa hai cực colecter-Emiter (UCE> 0). t(µs) t(µs) t(µs) UGE UG UCE -UG UGE(th) UGE.Io Ic Udc Điốt Do phục hồi Io UCE.on tdon tr tfv1tfv2 tc i1 i2 trv tfi1 tfi2 ton=tr+tfv1+tfv2 toff=trv+tfi1+tfi2 Hình 2.9. Đặc tính đóng mở van IGBT.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Quá trình mở:
Khi điện áp UCE = Udc> 0 khi van đang khoá do đó để mở van thì xung điều khiển đưa vào cực G tăng dần từ 0 đến UG trên hình 2.9, trong khoảng